Peering into the deep Earth through diamonds

Diamonds containing fluid and mineral inclusions are the only natural samples capable of probing the deep portions of Earth’s mantle, down to ~800 km depth. In particular, super-deep diamonds, those formed at depths greater than 300 km, provide information about mantle mineralogy and geodynamics that alternatively can be only derived by experimental or theoretical models. Despite in last decades study of super-deep diamonds shed light on controversial processes occurring in deep Earth’s mantle, important questions still remain unresolved. In this light, this Ph.D. project aimed to investigate P-T histories of diamonds in Earth’s mantle and the genesis and the depth of formation of ferropericlase-bearing diamonds. Several diamonds from Central African Republic, Juina (Brazil) and Kankan (Guinea) were analysed by in-situ non-destructive analytical techniques. Micro-Raman spectroscopy and secondary ion mass spectrometry were performed in a 1.3 carats alluvial Type IaAB diamond to characterize for the first time a diamond sample from Central African Republic. The finding of a tiny (10 μm-sized) unusual multi-phase inclusion, composed by ringwoodite (γ-Mg2SiO4, second find to date), tetragonal zirconia (ZrO2) and coesite (SiO2) in this diamond has indicated for the first time as diamonds, after their formation, can also travel downward and not only upward, as it is commonly assumed. Regarding the genesis of ferropericlase inclusions within diamonds, single-crystal X-ray diffraction analyses were carried out in order to determine the ferropericlase-diamond growth relationships (crystallographic orientation relationship determination) and their depths of formation (elastic geobarometry). Considering also chemical composition of some investigated ferropericlase inclusions, distinct formation processes are suggested for these inclusions as a function of their Fe content. In particular, Fe-rich (XFeO > 0.3) ferropericlase inclusions are probably syngenetic with their diamond hosts and precipitated from slab-derived carbonatite melts/fluids interacting with peridotitic mantle rocks at depths of the lower upper mantle or of the transition zone. Conversely, Mg-rich (XFeO < 0.3) ferropericlase inclusions are protogenetic, representing remnant parts of rock-bearing ferropericlases, partially dissolved by diamond-forming fluids/melts and entrapped at depths of the lower mantle. This interpretation is supported by experiments reproducing diamond-forming conditions in deep Earth’s mantle and provide an explanation for the discrepancies about ferropericlase between experimental and natural evidences. Moreover, geobarometric estimations on two ferropericlase-bearing diamonds provided depths of formation of ~ 320 km, indicating formation of these samples in deep upper mantle. These results support again distinct formation scenarios of ferropericlase-bearing diamonds in different portions of Earth’s mantle.

I diamanti e le inclusioni fluide e minerali presenti al loro interno sono gli unici campioni naturali che permettono di studiare il mantello terrestre, fino a circa 800 km di profondità. Nello specifico, i diamanti super-profondi, cioè quelli formatesi a profondità superiori ai 300 km, ci forniscono informazioni riguardo la mineralogia e i processi geodinamici del mantello terrestre profondo, che in alternativa possono essere ottenute solo tramite modelli sperimentali e teorici. Nonostante negli ultimi decenni lo studio dei diamanti super-profondi ha fatto chiarezza su diversi processi geologici del mantello terrestre, molte questioni rimangono ancora irrisolte. In questo contesto, questo progetto di dottorato ha avuto come scopo quello di studiare le possibili traiettorie P-T dei diamanti nel mantello terrestre e la genesi e la profondità di formazione dei diamanti contenti inclusioni di ferropericlasio. Per fare ciò, diversi diamanti provenienti dalla Repubblica Centrafricana, da Juina (Brasile) e da Kankan (Guinea) sono stati analizzati tramite tecniche analitiche in-situ e non distruttive. Un diamante fluviale di 1.3 carati e di tipo IaAB è stato studiato tramite la spettroscopia micro-Raman e la spettrometria di massa, con lo scopo di caratterizzare per la prima volta un diamante proveniente dalla Repubblica Centrafricana. La presenza di una piccolissima (10 μm) inclusione multi-fase, composta da ringwoodite (γ-Mg2SiO4, secondo ritrovamento terrestre), zirconia tetragonale (ZrO2) e coesite (SiO2) in questo diamante ha indicato per la prima volta come i diamanti, dopo la loro formazione, possano anche muoversi verso il basso e non solamente verso l’alto, come è comunemente suggerito. Riguardo la genesi delle inclusioni di ferropericlasio presenti all’interno dei diamanti, analisi in diffrazione a raggi X da cristallo singolo sono state condotte per determinare le relazioni di crescita fra ferropericlasi e diamanti (tramite la determinazione delle relazioni delle orientazioni cristallografiche) e le loro possibile profondità di formazione (tramite la geobarometria elastica). Considerando anche la composizione chimica di alcune inclusioni di ferropericlasio studiate, sembra evidente come inclusioni con differente contenuto di Fe si formino tramite processi differenti nel mantello terrestre. Nello specifico, inclusioni di ferropericlasio ricche in Fe (XFeO > 0.3) sono probabilmente singenetiche con i loro diamanti ospiti e sono precipitate da fusi o fluidi carbonatitici, derivanti dalle placche in subduzione, che hanno interagito con rocce peridotitiche del mantello, a profondità del mantello superiore o della zona di transizione. D’altra parte, le inclusioni di ferropericlasio ricche in Mg (XFeO > 0.3) sono protogenetiche e rappresentano parti di cristalli di ferropericlasio che costituivano le rocce del mantello e che sono stati parzialmente dissolti e poi intrappolati dai diamanti durante la loro formazione nel mantello inferiore. Questa interpretazione è supportata dagli esperimenti che riproducono la mineralogia dell’interno della Terra e potrebbe spiegare le discrepanze riguardanti il ferropericlasio esistenti tra evidenze sperimentali e naturali. Inoltre le stime geobarometriche ci dicono che due diamanti contenenti inclusioni di ferropericlasio si sono formati a profondità di circa 320 km, indicando la loro precipitazione nel mantello superiore profondo. Questi risultati supportano ulteriormente differenti scenari di formazione per le inclusioni di ferropericlasio presenti nei diamanti, i quali possono avvenire in diverse parti del mantello terrestre.